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5.4 拥塞控制本讲要点n什么叫拥塞控制nTCP的拥塞控制原理n重点：慢启动、拥塞避免、快恢复n难点：慢启动、拥塞避免、快恢复5.4 拥塞控制 n如果网络中的负载(load)，即发送到网络中的分组数量，超过了网络的容量，即网络中能处理的分组数量，那么在网络中就会发生拥塞(congestion)。n所谓拥塞控制(congestion control)就是防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载。TCP的拥塞控制n发送方维持一个叫做拥塞窗口 cwnd(congestion window)的状态变量。拥塞窗口的大小取决于网络的拥塞程度，并且动态地在变化。发送方让自己的发送窗口等于拥塞窗口。如再考虑到接收方的接收能力，则发送窗口还可能小于拥塞窗口。n发送方控制拥塞窗口的原则是：只要网络没有出现拥塞，拥塞窗口就再增大一些，以便把更多的分组发送出去。但只要网络出现拥塞，拥塞窗口就减小一些，以减少注入到网络中的分组数。接收方窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd n(1)接收方窗口 rwnd 这是接收方根据其目前的接收缓存大小所许诺的最新的窗口值，是来自接收方的流量控制。接收方将此窗口值放在 TCP 报文的首部中的窗口字段，传送给发送方。n(2)拥塞窗口 cwnd(congestion window)是发送方根据自己估计的网络拥塞程度而设置的窗口值，是来自发送方的流量控制。发送窗口的上限值n发送方的发送窗口的上限值应当取为接收方窗口 rwnd 和拥塞窗口 cwnd 这两个变量中较小的一个，即应按以下公式确定：n当 rwnd cwnd 时，是接收方的接收能力限制发送窗口的最大值。n当 cwnd rwnd 时，则是网络的拥塞限制发送窗口的最大值。发送窗口的上限值 Min rwnd,cwnd1.慢启动n在主机刚刚开始发送报文段时可先将拥塞窗口 cwnd 设置为一个最大报文段 MSS 的数值。n在每收到一个对新的报文段的确认后，将拥塞窗口增加至多一个 MSS 的数值。n用这样的方法逐步增大发送方的拥塞窗口 cwnd，可以使分组注入到网络的速率更加合理。用例子说明慢启动算法的原理n用报文段的个数作为窗口大小的单位。还假定接收方窗口 rwnd 足够大，因此发送窗口只受发送方的拥塞窗口的制约。n发送方先设置 cwnd=1，发送 M0，接收方收到后发回 ACK1。n发送方收到 ACK1 后，把 cwnd 从 1 增大到 2，发送方接着发送 M1 和 M2 两个报文段。n接收方收到后发回 ACK2 和 ACK3。n发送方每收到一个对新报文段的确认 ACK，就使发送方的拥塞窗口加 1，因此现在发送方的 cwnd 又从 2 增大到 4，并可发送 M3 M6 共 4 个报文段。发送方接收方发送 M1 确认 M1cwnd=1 tt发送方每收到一个对新报文段的确认（重传的不算在内）就使 cwnd 加 1。发送方接收方发送 M1 确认 M1发送 M2M3 确认 M2M3 cwnd=1 cwnd=2 tt发送方每收到一个对新报文段的确认（重传的不算在内）就使 cwnd 加 1。发送方接收方发送 M1 确认 M1发送 M2M3 确认 M2M3 发送 M4M7 确认 M4M7 cwnd=1 cwnd=2 cwnd=4 tt发送方每收到一个对新报文段的确认（重传的不算在内）就使 cwnd 加 1。发送方接收方发送 M1 确认 M1发送 M2M3 确认 M2M3 发送 M4M7 确认 M4M7 cwnd=1 cwnd=2 cwnd=4 发送 M8M15cwnd=8 tt发送方每收到一个对新报文段的确认（重传的不算在内）就使 cwnd 加 1。发送方接收方发送 M1 确认 M1发送 M2M3 确认 M2M3 发送 M4M7 确认 M4M7 cwnd=1 cwnd=2 cwnd=4 发送 M8M15cwnd=8 tt发送方每收到一个对新报文段的确认（重传的不算在内）就使 cwnd 加 1。轮次 1轮次 2轮次 3请回答n在第4轮次中，cwnd值是多大呢？Cwnd值的增长规律是怎样的呢？慢启动的作用n可见慢启动的“慢”并不是指 cwnd 的增长速率慢，而是指在开始时发送速率“慢”（cwnd=1）。n使用慢启动算法可以使发送方在开始发送时向网络注入的分组数大大减少。这对防止网络出现拥塞是非个常有力的措施。开始门限 ssthreshn为了防止拥塞窗口 cwnd 的增长引起网络拥塞，还需要另一个状态变量，即慢启动门限 ssthresh，其用法如下：n当 cwnd ssthresh 时，停止使用慢启动算法而改用拥塞避免算法。n当 cwnd=ssthresh 时，既可使用慢启动算法，也可使用拥塞避免算法。2.拥塞避免n拥塞避免算法使发送方的拥塞窗口 cwnd每经过一个往返时延 RTT 就增加一个MSS 的大小（而不管在时间 RTT 内收到了几个 ACK）。n拥塞窗口 cwnd 按线性规律缓慢增长，比慢启动算法的拥塞窗口增长速率缓慢得多。当网络出现拥塞时n随着 cwnd增大，发送方的发送速率会超过网络可用带宽，导致分组丢失，即出现网络拥塞。n为是网络迅速从拥塞状态恢复到正常，发送方把拥塞窗口 cwnd 重新设置为 1，慢启动门限 ssthresh 设置为出现拥塞时的发送窗口值的一半，又执行慢开始算法。n目的是迅速减少主机发送到网络中的分组数，使发生拥塞的路由器有足够时间把队列中积压分组处理完毕。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 当 TCP 连接进行初始化时，将拥塞窗口置为 1。为便于理解，图中的窗口单位不使用字节而使用报文段。慢启动门限的初始值设置为 16 个报文段，即 ssthresh=16。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 请注意横坐标的单位传输轮次。所谓“轮次”就是把拥塞窗口 cwnd 所允许发送的报文段都发送出去，并且都收到了对方的确认。“传输轮次”的时间并不是固定不变的。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 发送方的发送窗口不能超过拥塞窗口 cwnd 和接收方窗口 rwnd 中的最小值。我们假定接收方窗口足够大，因此现在发送窗口的数值等于拥塞窗口的数值。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大慢启动传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 在执行慢启动算法时，拥塞窗口 cwnd 的初始值为 1，发送第一个报文段 M0。以后发送方每收到一个对新报文段的确认，就将发送方的拥塞窗口加 1，然后开始下一次的传输。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 当拥塞窗口 cwnd 增长到慢启动门限值 ssthresh 时（即当 cwnd=16 时），就改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按线性规律增长。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 假定拥塞窗口的数值增长到 24 时，网络出现超时（表明网络拥塞了）。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 更新后的 ssthresh 值变为 12（即发送窗口数值 24 的一半），拥塞窗口再重新设置为 1，并执行慢启动算法。222424681012 141618200048121620拥塞窗口 cwnd新的 ssthresh 值网络拥塞指数规律增长ssthresh 的初始值慢启动慢启动慢启动拥塞避免加法增大拥塞避免加法增大传输轮次乘法减小慢启动和拥塞避免算法的实现举例 当 cwnd=12 时改为执行拥塞避免算法，拥塞窗口按按线性规律增长，每经过一个往返时延就增加一个 MSS 的大小。必须强调指出 n“拥塞避免”并非指完全能够避免了拥塞。利用以上的措施要完全避免网络拥塞还是不可能的。n“拥塞避免”是说在拥塞避免阶段把拥塞窗口控制为按线性规律增长，使网络比较不容易出现拥塞。3.快恢复算法 nTCP检测到分组丢失有两种情况：重传计时器超时和收到连续三个重复的ACK。n当发送方收到连续三个重复的ACK时，说明网络还有一定的分组交付能力，拥塞情况并不严重。n这时将拥塞窗口直接降低为1则反应过于剧烈了，因此需要采用能更快恢复发送速率的算法。3.快恢复算法(1)当发送方收到连续三个重复的 ACK 时，就重新设置慢启动门限 ssthresh。(2)与慢启动不同之处是拥塞窗口 cwnd 不是设置为 1，而是设置为 ssthresh+3 MSS。(3)若收到的重复的 ACK 为 n 个（n 3），则将 cwnd 设置为 ssthresh+n MSS。(4)若发送窗口值还容许发送报文段，就按拥塞避免算法继续发送报文段。(5)若收到了确认新的报文段的 ACK，就将 cwnd 缩小到 ssthresh。3.快恢复算法 本讲小结n拥塞控制n防止过多的数据注入到网络中，这样可以使网络中的路由器或链路不致过载nTCP的拥塞控制原理n慢启动：真的慢吗？n拥塞避免：从何时开始？n快恢复：快在哪里？